化工熱力學

ChemicalEngineeringThermodynamics

1ppt課件化學工程能做什么？化學工程的主要目標就是使化學家實驗室做出來的化學反應商品化！

10項頂尖成果（1983年，AIChE）1.合成橡膠（1983年，220億磅/年。二戰期間，及時解救了天然橡膠匱乏的困境。）2.抗生素：1918年流感奪走了全世界2000萬人的生命。化學工程使青霉素的年產量高達百萬磅。3.聚合物：塑料在很多應用場合能取代木頭、金屬和玻璃。2ppt課件化學工程能做什么？4.合成纖維。5.低溫空分生成O2

和N2。6.核同位素的分離。7.原油的催化裂解：制備高辛烷值燃料的能力在英國戰役和二次世界大戰中是一決定性因素。8.污染的控制。9.肥料尤其是合成氨：新肥料改進了農業的生產力并幫助養活了全世界。10.生物醫學工程。3ppt課件化學工程目的:

解決化學工程原理應用于新體系的瓶頸問題意義:

最合理地利用能源和資源、保護生態環境和人類健康4ppt課件化工熱力學課程內容第一章緒論（2學時）第二章流體的PVT關系（6學時）第三章純流體的熱力學性質（6學時）第四章流體混合物的熱力學性質（12學時）第五章相平衡（12學時）第六章化工過程的能量分析（10學時）第七章蒸汽動力循環和制冷循環（8學時）5ppt課件第一章

緒論6ppt課件關于化工熱力學課程化工熱力學課程是化學工程專業最重要的課程之一。是國內外化學工程專業本科生（化工熱力學I）和研究生（化工熱力學II）必修課程。是一門訓練邏輯思維和演繹能力的課程。是一門培養節約資源、合理利用能源觀點的課程。化工熱力學是“焓焓”糊糊“熵”腦筋的課程。學時56。7ppt課件

化工熱力學在課程鏈上的位置8ppt課件Why?1、冰箱的工作原理與空調是否相同？夏天打開冰箱門是否能當空調？2、空調與取暖器哪個更省電？3、注射青霉素過敏的原因是什么？怎樣去除青霉素中的雜質？4、假酒為何會喝死人？怎樣去除酒精中的甲醇？5、為什么無水酒精的價格是95%酒精的二倍？主要是哪一部分的成本提高了？9ppt課件Why?5、液化石油氣的主要成分為何是丙烷、丁烷和少量的戊烷而不是甲烷或己烷？6、為何從天然植物中提取香精、色素等有效成分常用超臨界萃取技術？萃取劑為何常選CO2？7、酸雨對大理石雕像是否有害？8、10kg/cm2的水蒸氣能否推動汽輪機？10ppt課件Why?9、石墨如何變成金剛石？H2O在什么溫度壓力下能分解出H2和O2？N2和H2在什么溫度壓力下才能合成出NH3？10、精餾塔的設計主要依據是什么？11、為什么要節能？如何節能？依據是什么？全世界不可再生化石燃料的消耗占90%。中國50%的能源需要進口。中國人均能源消費不到世界平均水平的50%

。中國的能源利用率僅是世界平均水平的50%

。化工是耗能大戶，僅次于冶金。11ppt課件新能源——可燃冰1M3“可燃冰”釋放出的能量相當于164M3的天然氣。全球“可燃冰”總能量，是所有煤、石油、天然氣總和的2～3倍。“可燃冰”的主要成分是甲烷與水分子(CH4·H2O)。勘探需要知道：在海底下，何種溫度、壓力下會形成“可燃冰”？熱力學能解決！12ppt課件濕空氣作為熱力循環的工作介質近10年來的實際應用已經證明，如果在空氣中加入10~15%水蒸氣，可以提高透平10~20%的效率。需要研究該體系高溫高壓下的熱力學性質！二氧化碳減排的緊迫性全球氣候轉暖，導致南北極冰山融化，海平面已上升10到25厘米）二氧化碳地質減排CO2-H2O體系CO2-NaCl-H2O體系CO2-NaCl-KCl-H2O體系CO2-多元電解質-H2O體系13ppt課件降低資源消耗2009年，中國消耗了全球總產量30%的主要能源和原材料，創造的GDP僅占世界的4%。如果按每1美元生產總值能耗，我國比發達國家能耗高4~5倍。目前，美國每萬美元耗水為514M3，日本208M3，中國5045M3，是發達國家的8~20倍。中國很多地區的經濟增長速度是靠高投資、高能耗、高污染換來的。14ppt課件本章內容一、化工熱力學的定義和用途二、化工熱力學研究內容和特點三、化工熱力學的局限性四、為何學和如何學好化工熱力學五、本課程的內容15ppt課件一、化工熱力學的定義和用途1、化工熱力學的定義A、熱力學（Thermo-dynamics）B、工程熱力學（EngineeringThermodynamics）C、化學熱力學（ChemicalThermodynamics）D、化工熱力學（ChemicalEngineeringThermodynamics）16ppt課件一、化工熱力學的定義和用途1、化工熱力學的定義A、熱力學（Thermo-dynamics

）——討論熱與功轉化規律的科學。遠古“鉆木取火”——機械能轉換為內能。12世紀“火藥燃燒加速箭支的飛行”19世紀“蒸汽機”——熱轉換為功。17ppt課件熱力學的四大特性⑴嚴密性：表現在熱力學具有嚴格的理論基礎。熱力學證明是可以行通的事情，在實際當中才能夠行的通；熱力學證明是不可行的事情，在實際當中無論采用什么措施，也實施不了。⑵完整性由于熱力學具有熱力學第一定律：能量守恒定律第二定律：熵增原理、熱效率第三定律：絕對熵定律第零定律：熱平衡定律這四大定律使熱力學成為一門邏輯性強而完整的科學。18ppt課件⑶普遍性：表現在熱現象在日常生活中是必不可缺少的。熱力學的基本定律、基本理論，不但能夠解決實際生產中的問題，還能夠解決日常生活中的問題，甚至用于宇宙問題的研究。⑷精簡性：表現在熱力學能夠定性、定量地解決實際問題。19ppt課件B、工程熱力學（EngineeringThermodynamics）——將熱力學的基本理論應用于工程技術領域，則為工程熱力學。主要研究熱能與機械能之間轉換規律以及在工程中的應用。

特點：制冷、發電介質簡單：水蒸氣、氨、氟里昂20ppt課件C、化學熱力學（ChemicalThermodynamics）—應用熱力學來處理熱化學、相平衡和化學平衡等化學領域中的問題，則形成化學熱力學（是物理化學的一部分）。例1：利用熱力學的原理能計算出在何種溫度和壓力條件下，由氮和氫能合成氨，這在化肥工業上產生了重要影響。420～550℃

；150~1000atm例2：石墨與金剛石二者間轉變時的溫度與壓力效應的熱力學計算，不但預示了人工制造金剛石所需的條件，并且導出了關于自然界金剛石形成的地質條件的假說。21ppt課件石墨——>金剛石？在1400℃，5-10萬大氣壓下，石墨——>金剛石22ppt課件D、化工熱力學（ChemicalEngineeringThermodynamics）——集化學熱力學和工程熱力學之大成的學科。任務是從熱力學第一、第二定律出發，研究化工過程中各種能量的相互轉化和有效利用，研究各種物理和化學變化過程中達到平衡的理論極限、條件和狀態。它是化學工程學的一個重要組成部分，是化工過程開發、設計和生產的重要理論依據。23ppt課件經典熱力學無論是工程熱力學還是化學熱力學還是化工熱力學，它們均是經典熱力學，遵循經典熱力學的三大定律（熱力學第一、第二、第三定律），不同之處是由于熱力學應用的具體對象不同，決定了各種熱力學解決問題的方法有各自的特點。24ppt課件一、化工熱力學的定義和用途2、化工熱力學的用途①對于新工藝、新方法，用熱力學事先判斷它的可行性。（可行性分析）石墨————>金剛石？N2+H2————>NH3？H2O————>H2+O2？常溫、常壓常溫、常壓常溫、常壓判據？25ppt課件②對于實踐證明是可行的工藝進行優化。（能量有效利用）A.提高產品質量。如利用相圖去除青霉素中的雜質，拯救生命。B.節能。老廠改造，增效挖潛，能量的合理利用。如美國一聚乙烯醇工廠能耗大，特別是分離工段的能耗占全廠的65%，應用熱力學相平衡的成果，將進料中乙醛含量由0.7%降至0.4%后，操作費用節省50%。能量損失的形式：1。防止跑冒滴漏2。不合理的工藝3。不可逆損失能量是有品位的。高溫蒸汽比低溫蒸汽有用。有用的熱量稱為有效能，也稱為“火用”26ppt課件③多元相平衡數據是設計、生產操作和產品質量控制必不可少的，尤其是產品眾多、分離要求高的石油化工更是如此。產品分離：設備投資50~90%；能量60~90%。精餾塔的設計27ppt課件④建立化工熱力學模型，用最易測得的數據（P、V、T、X）推算難測數據（H，S，G）；用少量實驗數據加模型，得到過程開發中大量有用數據。多、快、好、省！世界上有105無機物，6x106有機物，只有100種純物質的熱力學數據研究比較透徹。混合物的種類更多，更有用，但非常難測。尤其是極性物質、聚合物體系，電解質溶液。在高壓、低溫下的物性數據更是當務之急。實驗費時、費力。28ppt課件濕空氣作為熱力循環的工作介質近10年來的實際應用已經證明，如果在空氣中加入10~15%水蒸氣，可以提高透平10~20%的效率。空氣的組分：N2：78.08％，O2：20.95％，Ar：0.93％，CO2：0.03％，He、Ne、Kr、Xe。太復雜！怎么辦？N2-O2-H2O三元體系可以視作空氣-水體系的模型流體。29ppt課件二、化工熱力學的研究內容和特點1、化工熱力學的研究內容“原理-模型-應用”構成化工熱力學研究內容的“三要素”原理應用模型狀態方程EOS活度系數模型γi30ppt課件方法：運用經典熱力學的原理，結合反映體系特征的模型，應用于解決工程中的實際問題。31ppt課件二、化工熱力學的研究內容和特點2、化工熱力學的研究特點1）經典熱力學的研究特點從局部的實驗數據推算系統完整的信息從常溫常壓的物性數據來推算苛刻條件下的性質從容易獲得的物性數據（P、V、T、x）來推算較難測定的數據（y，H，S，G）從純物質的信息求取混合物的信息2）化工熱力學的研究特點32ppt課件二、化工熱力學的研究內容和特點2）化工熱力學的研究特點A.研究體系為實際狀態B.處理方法：以理想態為標準態加上校正C.獲取數據的方法：少量實驗數據加半經驗模型D.應用領域：解決工廠中的能量利用和平衡問題。33ppt課件二、化工熱力學的研究內容和特點2）化工熱力學的研究特點a.研究體系為實際狀態化學熱力學研究的是以理想狀態為主，如理想氣體、理想溶液；化工熱力學研究的是實際狀態。在任意溫度、壓力下，多組分的狀態。理想氣體：分子間沒有相互作用，分子的體積大小可以忽略。（壓力極低）PV=nRT真實氣體：分子間有相互作用，分子的體積大小不能忽略PV≠

nRT34ppt課件二、化工熱力學的研究內容和特點b.處理方法：以理想態為標準態加上校正實際結果=理想結果+校正氣體

Z（壓縮因子）氣體（逸度系數）溶液γi（活度系數）化學熱力學的方法建立模型35ppt課件C.獲取數據的方法：少量實驗數據加半經驗模型化工熱力學是用少量實驗數據加半經驗模型，得到所需數據。盡管有誤差（5%），但很實用，可以預測復雜的物性數據。高壓、高溫、低溫、多元二、化工熱力學的研究內容和特點模型：運用數學式來表達物質之間相互關系。越有物理意義的模型，越準確。36ppt課件由Wilson模型計算甲醇-甲基乙基酮體系

的相平衡數據Wilson模型37ppt課件二、化工熱力學的研究內容和特點D.應用領域：解決工廠中的能量利用和平衡問題。例如：合成氨廠有“一段轉化”、“脫碳”、“甲烷化”、“蒸汽、合成氣的壓縮”等過程，如何實現全廠的能量平衡和有效能的合理使用問題。有用的熱量稱為有效能，也稱為“火用”38ppt課件化工熱力學和其它化學工程分支學科間的關系第一級：物性常數和熱力學性質計算第二級：平衡計算第三級：“三傳一反”第四級：設備設計第五級：流程配置第六級：過程發展吸收系統模擬反應系統模擬精餾系統模擬化工模擬系統吸收塔計算反應器計算精餾塔計算換熱器計算設備模擬化反應速度計算傳質計算流體力學計算傳熱計算三傳和反應工程學相平衡計算反應平衡計算熱平衡計算物料平衡計算露點泡點計算化工熱力學全流程的最佳化設計和控制物性學和熱力學表面張力計算導熱系數計算密度計算焓的計算粘度計算39ppt課件化工熱力學和其它化學工程分支學科間的關系化工過程示意圖40ppt課件三、化工熱力學的局限性

熱力學研究方法宏觀研究方法微觀研究方法經典熱力學

分子熱力學（統計熱力學）41ppt課件三、化工熱力學的局限性1、經典熱力學的特點1研究大量分子中發生的平均變化，并總結出具有普遍性的熱力學基本定律。它建筑在熱力學的三個基本定律之上，運用數學方法，得到宏觀性質之間的依賴關系；2、分子熱力學特點建立在大量粒子群的統計性質的基礎上從物質的微觀結構觀察與分析問題，預測與解釋平衡情況下物質的宏觀性質。從分子間的相互作用出發，建立宏觀性質與微觀性質經典熱力學局限性之一：不能定量預測物質的宏觀性質不能解釋微觀本質及其產生某種現象的內部原因。42ppt課件三、化工熱力學的局限性3、經典熱力學的特點2：不研究物質的結構；不考慮過程的細節；只關心平衡問題（只關心體系的初態和終態）；不關心如何到達平衡。經典熱力學局限性之二：只能解決極限問題，不能解決速率問題

經典熱力學能夠給出的是必要條件而不是充分條件。但由熱力學分析可以排除不能發生反應的條件，因而節省了大量的時間和精力。43ppt課件四、為何學和如何學好化工熱力學1、為何要學化工熱力學？答：為了解決化學產品的制備中存在兩類問題。1）反應問題反應物A+反應物B產物C或

D或

E？在給定條件下，A和B作用，能否得到C？或D？或E？或它們的全部？如果制備產品C，什么是其最優條件（如壓力、溫度等）？產率多少？1、可行性分析2、化學反應平衡44ppt課件怎樣分離，才能得到純物質C？2）分離問題含A、B、C、D、E的混合物

純C

D和

E

A和B所需產品

進一步參加反應

副產品4、能量有效利用3、相平衡問題45ppt課件可行性分析為了降低原料消耗，利用本國資源，制止環境污染和不用劇毒物質作原料等，要求發展直接合成新工藝（清潔生產、綠色化工）。以乙二醇生產為例:50年代采用乙烯和氯氣為原料的氯醇法生產乙二醇，主要反應有三步：乙烯+氯→氯乙醇→環氧乙烷→乙二醇.這個方法不但流程長，輔助原料氯的成本高，而且由于使用了氯，給后處理帶來了許多麻煩（如腐蝕、副產鹽酸問題等）。例1：乙二醇生產46ppt課件60年代乙烯直接氧化法在工業上得到應用，這種方法不在使用氯，主要反應有二步：乙烯→環氧乙烷→乙二醇70年代由乙烯直接合成乙二醇成功：乙烯→乙二醇產品收率也從乙烯氧化法的75%提高到90%，這意味著每公斤乙二醇所消耗的乙烯數量比以前降低了17%。47ppt課件能量的有效利用化工生產要消耗大量的能源。石油、天然氣等能源不僅是化學工業的燃料，而且是生產一些重要化工產品的原料。利用熱力學的基本原理，對化工過程進行熱力學分析，是熱力學近三十年來最重要的進展。計算各種熱力過程的理想功、損耗功、有效能等，找出可以節能而沒有能的環節和設備，然后采取措施，達到節能的目的。對于評定新的設計方案和改進現有生產都是有效的手段。近來，能源緊張問題更顯突出，故在流程選擇、設備設計中往往以節能為目標函數進行優化，為了節能，寧可增加設備（即初始投資）48ppt課件例1：南京塑料廠乙苯脫氫制苯乙烯這么簡單的反應方程式用了三層樓的一個車間，經過很多換熱裝置才完成，目的只有一個，能量的有效利用。49ppt課件例1：典型的石油氣順序深冷分離，能量消耗較大，經過全面分析和研究，采用原料分段預冷進料、中間再沸器和其他措施，對相同規模的石油氣分離裝置可節能25%。例2：最杰出和典型的節能化工工程是濮陽中原化肥廠的AMV合成氨工藝，能耗從常規的900Gcal/t降到590Gcal/t氨。其在過程中采取了一系列的節能措施，包括熱泵、熱管系統。因此，有人認為，凡是有能量交換的地方，就有熱力學問題。這里的能量交換包括熱、功、動能、位能和化學能（化學反應）的交換。50ppt課件四、為何學和如何學好化工熱力學2、如何學好化工熱力學？1）掌握化工熱力學處理問題方法之特點從局部的實驗數據加半經驗模型推算系統完整的信息從常溫常壓的物性數據來推算苛刻條件下的性質純物質性質的推算：從容易獲得的物性數據（P、V、T、X）來推算較難測定的數據（y，H，S，G）混合物性質的推算：從純物質的信息利用混合規則求取混合物的信息以理想態為標準態加上校正來處理真實狀態的方法51ppt課件四、為何學和如何學好化工熱力學

2）注意準確理解熱力學概念概念抽象規則嚴格咬文嚼字混合物的逸度系數純組分i的逸度系數混合物中組分i的逸度系數52ppt課件四、為何學和如何學好化工熱力學3）注意單位換算能量：J，Cal，cm3.atm，cm3.bar壓力：kg/m2（工程壓力），atm，mmHg，bar，Pa，MPa溫度：K，℃

，oF，4）循序漸進3、教材與習題：教材：陳鐘秀,顧飛燕編，化工熱力學（第二版），化學工業出版社，200153ppt課件四、為何學和如何學好化工熱力學4、參考書1）馬沛生，化工熱力學（通用型），化學工業出版社，20052）鄭丹星，流體與過程熱力學，化學工業出版社，20053）陳新志等，化工熱力學，化學工業出版社，20014）陳新志，化工熱力學習題精解，科學出版，20035）陳鐘秀,顧飛燕編，化工熱力學例題與習題，化學工業出版社，19986）朱自強,徐汛編，化工熱力學，化學工業出版社，19917）J.M.Smith,andH.C.VanNess,IntroductionChemicalEngineeringThermodynamics,7thEd.,Co.,化學工業出版社，200654ppt課件五、本課程的內容化工熱力學著重研究熱力學函數在工程中的應用。用熱力學函數（P、V、T、H、S等）分析某些化工過程實際上的效率問題，即達到平衡的條件、狀態。化工熱力學是“焓焓”糊糊“熵”腦筋的課程，即焓熵計算及其應用55ppt課件五、本課程的內容①熱力學數據與物性數據的研究P、V、T、H、S、G、f、φ、α、γ第2、3、4章②解決相平衡、化學平衡的狀態